Hodkin-Huxuly方程,那么对于动力系统的了解必然是不可少的,这有助于我们明晰H-H方程的动力学性质,以及混沌特性。在更新完动力系统的部分之后,我可能会稍微把H-H方程的模拟说一下,更多的还是基于文献的数据。
我的打算是把动力系统讲得简单易懂,让一个高中生都能够理解的程度。对于其中的概念,我不仅会单独给出数学上的定义,还会用形象化的语言去描述这个概念的意义。
坐标的时间微分是由坐标和时间的函数关系给出的。如果其时间微分不显含t,则称之为自治方程;如果显含时间t,那么称之为非自治方程。
更多情况下我们考虑自治方程,它是形式如下的等式:
其中
大多数情况下表示连续函数,因为他们的光滑性足够好,处理起来比较方便。在上面的式子中,坐标分别为
,它们对时间t的导数存在这样的函数关系。
当然,上面的表述是十分繁复的,对于高维的情况,需要写出大量的微分方程。因此我们引入向量来简化上面的表述。以后我们用无脚标的
表示向量,即
。然后,我们用
表示一个
的映射,用
来表示这个函数向量的第一个分量。在这里,我们用大写的字母表示一个函数向量,用小写或者脚标的形式来表示一个分量。
1,连续性的影响
下面我们来讨论一下连续性的影响。显然,对于一个映射,必然存在一个定义域,在定义域之外,我们不讨论动力系统的图像。
对于上述微分方程组,只要
有可积性,那么理论上,它的解是存在的。微分方程组的解也许可以用一定的解析形式表达出来,这种解我们称之为
解析解,但是对于绝大多数的微分方程而言,解析解是不存在的。我们在这里不给出不存在解析解的证明,以及存在解析解的条件,因为这对于我们来说并不是很重要。但是,在无限精度的情况下,存在微分方程的
数值解。对于微分方程的解,我们统称为
流(flow)。
场,场是引入流不可或缺的。
首先我们以上面的式子为例,给出一个二维坐标平面
,在二维平面中,我们可以定义每一点的方向向量
,只要对平面内的每一个点,都做这样的方向向量的运算,我们就可以得到一个
平面矢量场。对其中每一个点,沿着方向向量方向走无限小的距离,就可以到达另一个点,不停地这样操作,我们就可以得到一条曲线。如果
是连续的,那么我们得到的是一条光滑的曲线。(证明从略)
所有的这样的光滑曲线,组成的一个集合,我们称之为
,其中的每一个元素,都是上述微分方程组的一个解。
流是不相交的,因为相交会出现一个问题:在交点处,存在两个方向向量,但是,按照我们的定义,某一点的方向向量是惟一的,因而矛盾。更严谨的数学证明不给出。
连续的函数给出的流的性质是“好的”。因为它在定义域内是光滑的,这十分有利于分析。如果
的其中一个分量不是连续的,那么其图像会产生“
拐点”,因此其分析性质是不够“好的”。
下面给出一个例子,是洛伦兹系统的流的示意图。(注:这里给出的是数值计算的结果,严格来说是不够精确的,在更小的迭代步长和更高的迭代次数的情况下,其图像的“腹腔”相比于该例图更下收缩。)
洛伦兹系统的流的图像。右端下凹部分趋向了洛伦兹吸引子,吸引子的图像在下面给出。迭代的起始点为(500,500,500)
洛伦兹吸引子的放大图像。
2,流的体积变化
表示起始点为
的流,经过时间
演化后的位置
。(我们默认
为点)因此,流是一个动态的概念,我们不应该仅仅考虑其静态的局部。
流的群性质。易知:
。这便是流的群性质。
发散量的概念。其实,发散量的概念,与场中的散度的概念是一样的。我们首先回顾一下场的散度的概念。对于一个矢量场
,其散度为:
。其含义为,用哈密顿算符作用于函数矢量
,得到的结果为散度。散度是指朝每个方向的发散量的总和,其和表示体积膨胀的变化率。
发散量的概念与之类似,用以衡量流上一点的体积变化率。事实上谈论一个点的体积变化率是没有意义的,因为一个点的定义就是要求无穷小,自然没有体积变化率的概念。在这里,我们指的更多是一个足够小半径的球,这个足够小半径的球中的每一点,我们都将其取为初始点,也就是说,是这样的一个集合A:
其中,
表示的是以下集合
,
表示该空间中的一点,
表示一个足够小的半径。将这两个集合分开写,是为了便于理解。因为我们这里需要一个动态的集合和一个静态的集合,
表示动态的集合,
表示了静态的集合,因此我们令A是时间t的函数,在t=0时,
。
Liouville公式,这个公式实际上是单变量微积分中微分方程的Liouville公式在动力系统中的推广。
对于系统
,我们称其发散量为
,那么,对于上述的
和
,我们有:
。
是指通常意义下的
Lebesgue测度。
对于Liouville公式,有一个非常简单而直接的例子,就是当发散量为0时,
的测度是不随时间变化而变化的。
3,小偏差与李雅普诺夫指数
对于动力系统的偏导数矩阵,通常概念下的偏导数是毫无意义的。因为其某一点的偏导数向量方向与该点场的方向是一致的。这是动力系统独特的方程形式所带来的,因此,我们用如下的方法来定义其偏导数矩阵。
在此之前,在正交单位向量基中,我们约定
表示第
个方向的单位向量。
在上述约定下,我们称,对
的偏导数矩阵是指如下的形式:
用形象化的方法来解释,就是:流的第
个方向对
求偏导数,就是对
在
方向有个长为
的小偏差作用下得到的新的流的第
个方向的偏差在
时的极限。
这一点正满足了我们研究动力系统的需求,因为我们考虑一个动力系统,不关心它的静态性质,而是关注它的动态演化性质,而以上的偏导数矩阵定义,很好地满足了这个要求,虽然从计算上来说非常复杂,绝大多数下都需要通过数值计算去得到。
李雅普诺夫指数。
首先需要声明,对于一个高维系统(
),其李雅普诺夫指数一共有
个,而且其中必定有一个方向的李雅普诺夫指数是0。我们考虑其中一个李雅普诺夫指数,永远伴随着这个李雅普诺夫指数所对应的方向。
接下来,我们讨论发散量为常数的动力系统。
我们称小偏差的方向为
,是指讨论的第
个方向的小偏差(我们用上标表示第
个向量),
当所有的小偏差方向正交时,所有方向的李雅普诺夫指数之和为发散量。
我们称小偏差通过演化之后得到的大偏差为
,有了这些概念,就可以开始介绍李雅普诺夫指数了。
对于某个方向
,我们称这个方向的李雅普诺夫指数
是按照如下方式定义的:
=
表现了系统演化的最终走向。对于一个初始点来说,可能某个方向的李雅普诺夫指数是正的,而另一个是负的。最后的最后,对于一个初始点,其沿着该点场的方向的李雅普诺夫指数为0,证明从略,但是从直观上我们也可以理解,那就是如果在每一点都沿着场的方向一直走,那么就不会产生偏差,上述极限式的分子一直为0。
对于数学基础不是特别扎实的人,可以单单看每个定义后面的简要文字描述,可能会更好理解一点。
最后的最后,我们来谈论一下洛伦兹吸引子的测度。显然,整个空间都是洛伦兹系统的吸引域(吸引域的概念会在下篇文章给出)。而洛伦兹吸引子的范围是很小的,我们可以考虑这样的一个吸引域:
,其测度为
我们使用的参数为
,算得其发散量为
,因此按照Liouville公式,可以得到其极限体积为0。然而,洛伦兹吸引子的混沌特性包括了每一点附近的轨道都是稠密的。因此,尽管看起来洛伦兹吸引子非常优美,而且占据一定的空间。
但是,洛伦兹吸引子的测度为0。